Testing and analysis of composites with 3D woven reinforcement

• Composites with three-dimensional (3D) reinforcement have several benefits, compared to laminated composites. Their through-thickness reinforcement increase the out-of-plane properties significantly and could eliminate problems with delaminations. Also, these composites have proven to have great damage tolerance and energy absorption. However, their complex yarn architectures make it challenging to predict their mechanical response and performance.In this thesis different aspects of composites with 3D woven reinforcement are explored. The focus is on a specific yarn architecture, called fully interlaced 3D weave. The results are however not only limited to that specific 3D reinforcement but could to a certain extent also be applicable to 3D reinforcement in general.Preforms with fully interlaced 3D weaves were manufactured and impregnated with epoxy. These were then examined in great detail with computer tomography (CT) to study the internal yarn architecture after impregnation. Analysis showed that the yarns were quite significantly distorted by the through-thickness compression during impregnation. The distortion was attributed to the relatively sparse weave, not supporting the through-thickness reinforcement, which therefore distorts and brings the rest of the yarns along with it. In parallel, a simulation model of the internal geometry of the manufactured material was developed. The simulation model was however not designed to include the distortions encountered in the physical material.The manufactured material and its corresponding model was tested in a tensile test setup. Two different thicknesses of the material was manufactured as well as a corresponding composite with two-dimensional (2D) reinforcement. Results showed that the material with 2D reinforcement was stiffer and stronger than the ones with 3D reinforcement, which was attributed to the lower crimp in the 2D reinforcement. A difference in stiffness between the two 3D weaves was also found and addressed to the larger amount of surface layer in the thinner weave, where vertical weft yarns are aligned with the warp direction and contributing to the overall stiffness in that direction. Failure analysis of specimens tested in the warp direction showed that initial cracks form in the boundaries of vertical weft yarns, close to the material surface. For specimens tested in the horizontal weft direction, initial cracks were found through the vertical weft yarns at the surfaces. Both these findings were supported by results from the simulation model.An application for composites with fully interlaced 3D weave was also explored, where it was integrated as a fillet in a composite T-joint. The scope here was to make a 3D reinforced fillet, having low transverse thermal expansion which would decrease the residual stresses in the fillet after curing. T-joints with conventional fillets and fillets with 3D woven reinforcement were manufactured and tested in a pull-off test. Results showed that T-joints with conventional fillets had higher strength, but also higher spread, than the ones with 3D reinforcement. The higher strength of T-joints with conventional fillets was attributed to their better ability to adapt to the T-joint cavity, while the fit was not as good for the 3D fillets. The lower spread in strength of the T-joints with 3D fillets was attributed to their lower sensitivity to minor flaws such as voids inside the fillet.

• Kompositer med tredimensionell (3D) armering har flera fördelar jämfört med laminerade kompositer. Deras fibrer genom tjockleken ökar ut-ur-planet-egenskaperna avsevärt och kan eliminera problem med delaminering. Dessa kompositer har också visat sig ha stor skadetolerans och energiabsorption. Men deras komplexa fiberarkitektur gör det svårt att förutsäga deras mekaniska respons och prestanda.I denna avhandling utforskas olika aspekter av kompositer med 3D vävd armering. Fokus ligger på en specifik 3D vävd armeringsarkitektur, där varpen är sammanflätad med både horisontell och vertikal väft. Upptäckterna är dock inte bara begränsade till den specifika 3D-armeringen utan kan i viss mån även tillämpas på 3D-armering i allmänhet.I arbetet har 3D-vävar tillverkats och impregnerats med epoxi. Dessa undersöktes sedan mycket detaljerat med datortomografi (CT) för att studera den interna armeringsarkitekturen efter impregnering. Analysen visade att trådarna var markant distorderade av kompressionen genom tjockleken vid impregneringen. Distortionen tillskrevs den relativt glesa väven, som inte hade förmåga att stödja vertikalväften tillräckligt, som därför snedställts och därmed också distorderar de överiga trådarna. En simuleringsmodell av det tillverkade materialets inre geometri utvecklades parallellt. Simuleringsmodellen var dock inte utformad för att inkludera de distortioner som uppstår i det fysiska materialet.Det tillverkade materialet och dess motsvarande modell testades sedan i en dragprovsuppställning. Två olika tjocklekar av materialet tillverkades samt en motsvarande komposit med tvådimensionell (2D) armering. Resultaten visade att materialet med 2D-armering var styvare och starkare än de med 3D-armering, vilket tillskrevs den lägre vågigheten i 2D-armeringen. En skillnad i styvhet mellan de två 3D-vävarna hittades också, vilket tillskrevs den större kvot ytskikt i den tunnare väven som bidrar med ökad styvhet i varpriktningen då vertikalväften på ytan är i linje med den riktningen. Brottanalys av prover som testats i varpriktningen visade att initiala sprickor bildas i gränsskiktet mellan vertikalväft och matris, nära ytan på kompositen. För prover som testats i den horisontella väftriktningen hittades initiala sprickor genom vertikalväften vid ytorna. Båda dessa upptäckter bekräftades av resultaten från simuleringarna.En applikation för kompositer med 3D-vävd armering undersöktes också, där den integrerades som ”noodle” i ett T-förband av kompositlaminat. Syftet här var att göra en 3D-armerad ”noodle”, med låg transversell termisk expansion som skulle minska restspänningarna i ”noodle” efter härdning. T-förband med konventionella ”noodles” och ”noodles” med 3D-vävd armering tillverkades och testades i en dragprovsuppställning. Resultaten visade att T-förband med konventionella ”noodles” hade högre hållfasthet, men också högre spridning, än de med 3D-armering. Den högre hållfastheten hos T-förband med konventionella ”noodles” tillskrevs deras bättre förmåga att anpassa sig till T-förbandets hålighet, medan passformen inte var lika bra för 3D-”noodles”. Den lägre spridningen i hållfasthet hos T-förband den med 3D-”noodles” antas komma från att de är mindre känsliga för defekter i ”noodle”.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Kompositmaterial och -teknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Composite Science and Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

3D weave

finite element

manufacturing

yarn path

weaving

failure criteria

mechanical testing

3D väv

finita element

tillverkning

trådbanor

vävning

brottkriterier

mekanisk provning

Farkostteknik

Vehicle and Maritime Engineering

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)